Ocena możliwości poprawy - Alpines-Hoppel

Konferencja „SIECI 2008” we Wrocławiu, Politechnika Wrocławska
Witold HOPPEL
e-mail: [email protected]
Józef LORENC
e-mail: [email protected]
Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Piotrowo 3a, 60-965 POZNAŃ
OCENA MOŻLIWOŚCI POPRAWY SKUTECZNOŚCI DZIAŁANIA ZABEZPIECZEŃ
ZIEMNOZWARCIOWYCH W SIECIACH SKOMPENSOWANYCH
Referat dotyczy zerowonapięciowych zabezpieczeń ziemnozwarciowych w sieciach skompensowanych,
które są elementami rozruchowymi współpracującymi z innymi kryteriami lokalizującymi linię
doziemioną, a w wykonaniu autonomicznym służą do sygnalizacji doziemienia w nadzorowanej sieci.
Nastawa tych zabezpieczeń w bezpiecznym stopniu powinna być większa od napięcia spowodowanego
zjawiskiem asymetrii parametrów doziemnych sieci. Z kolei jej zmniejszanie wyraźnie przyczynia się do
poprawy wykrywalności zwarć doziemnych poprzez zwiększenie zakresu rezystancji przejścia
powodujących rozruch zabezpieczenia. W referacie zaproponowano wprowadzenie zmiany metodyki
doboru tej nastawy.
1. WSTĘP
Pomimo, że w polskich sieciach średnich napięć nadal dominuje uziemienie punktu
neutralnego przez cewkę Petersena, to od kilkunastu lat widoczny jest przyrost sieci uziemionych
przez rezystor pierwotny, którego znamionowy prąd najczęściej mieści się w zakresie od 100 do
kilkuset amperów.
Wadom i zaletom tych dwóch sposobów poświęcono wiele publikacji, ale ciągle brak
jednolitego stanowiska odnośnie zakresu zastosowania każdego z tych rozwiązań. Dość oczywiste
jest, że dla sieci czysto kablowych, dla których dużym zagrożeniem są przepięcia
ziemnozwarciowe, należy preferować uziemienie punktu neutralnego przez rezystor. W sieciach
napowietrznych i napowietrzno-kablowych rozwiązanie z rezystorem zwiększa zagrożenie
porażeniowe i może być powodem pogorszenia jakości energii elektrycznej przez zwiększenie
częstości cykli SPZ-tu oraz liczby wyłączeń zbędnych. Ten drugi problem wiąże się z wyłączaniem
transformatora zasilającego podczas doziemień na szynach zbiorczych SN lub podczas braku
działania zabezpieczeń ziemnozwarciowych w polach liniowych.
Ogólnie przyjmuje się, że w napowietrznej części prawidłowo skompensowanych sieci,
duża część zwarć łukowych jest gaszona samoczynnie. Również przy braku działania zabezpieczeń
ziemnozwarciowych [1] w polach liniowych tak z prawnego, jak i technicznego punktu widzenia,
można pozwolić na działanie sygnalizacji doziemienia i ręczną lokalizację linii uszkodzonej, a nie
wyłączać w trybie awaryjnym całej sekcji rozdzielni [2]. Natomiast w sieciach z punktem
neutralnym uziemionym przez rezystor często zachodzi potrzeba bezwzględnego wyłączenia
rozdzielni SN, między innymi z takich powodów jak:
• groźba cieplnego uszkodzenia samego rezystora,
•
•
możliwe przeciążenia prądem ziemnozwarciowym fragmentów sieci: transformatora
potrzeb własnych, transformatora zasilającego i elementów linii,
znaczne zagrożenie porażeniowe podczas zwarć na trasach linii napowietrznych oraz
w stacjach SN/nN, które może przenosić się również do odbiorców zasilanych niskim
napięciem.
2. ZABEZPIECZENIA ZIEMNOZWARCIOWE
W sieciach skompensowanych w celu lokalizacji linii doziemionej stosuje się najczęściej
następujące zabezpieczenia ziemnozwarciowe [1]:
- kierunkowe czynnomocowe,
- konduktancyjne (Go>),
- porównawczo-admitancyjne (YYo).
Tego typu zabezpieczenia wymagają jednak stosowania w punkcie neutralnym sieci
urządzeń wymuszających dodatkowy prąd zwarcia doziemnego. Jest to konieczne, ponieważ
naturalne admitancje doziemne sieci generują zbyt słabe sygnały, aby w wystarczająco pewny
sposób odróżnić przebiegi wielkości zwarciowych w linii uszkodzonej od przebiegów w liniach
zdrowych.
Dla dwóch pierwszych zabezpieczeń musi to być prąd o charakterze czynnym, dla trzeciego
układu (YYo) może również dotyczyć składowej biernej.
Każde z wymienionych zabezpieczeń musi być uzupełnione kryterium rozruchowym –
najczęściej zerowonapięciowym, a w przypadku zabezpieczenia kierunkowego dodatkowo
zerowoprądowym. Celem stosowania dodatkowych członów rozruchowych jest ograniczenie
zbędnych zadziałań zabezpieczeń w warunkach silnego oddziaływania naturalnej asymetrii
doziemnej sieci lub prądów uchybowych w obwodzie pomiaru składowej zerowej prądu linii.
Jeżeli podane trzy zabezpieczenia posiadają prawidłowe konstrukcje i algorytmy działania
oraz poprawnie współpracują z automatyką wymuszania dodatkowej składowej prądu zwarcia, to
ich czułość w obszarze aktywności kryteriów admitancyjnych i kierunkowych nie zależy od
wartości rezystancji przejścia w miejscu doziemienia. Natomiast zależność taka dotyczy przede
wszystkim rozruchu napięciowego. W związku z powyższym jest w pełni uzasadnione
stwierdzenie, że w zdecydowanej większości przypadków spotykanych w praktyce, zakres
wykrywanych rezystancji przejścia przez zabezpieczenia ziemnozwarciowe zależy od nastawy
rozruchowego członu zerowonapięciowego.
3. KRYTERIUM ZEROWONAPIĘCIOWE
W sieciach skompensowanych kryterium zerowonapięciowe wykorzystuje się w członach
rozruchowych admitancyjnych zabezpieczeń ziemnozwarciowych, w stacyjnych układach
sygnalizacji zwarć doziemnych oraz w automatyce urządzeń wymuszających dodatkowy prąd
zwarcia z ziemią.
Wartość składowej zerowej napięcia wywołana zwarciem doziemnym zależy od wielu
czynników i dla potrzeb zabezpieczeń, gdzie nie jest potrzebna znajomość argumentu można
określić ją wzorem::
U 0 K = βU ph
(1)
w której:
Uph - źródłowe napięcie fazowe sieci,
β - współczynnik ziemnozwarciowy, którego przybliżoną wartość można wyznaczyć z zależności:
β=
1
1 + RF ωC0 S (d 0 + js )
(2)
w której:
RF - rezystancja przejścia w miejscu zwarcia doziemnego,
ω - pulsacja sieci,
d0 - tłumienność sieci,
s - współczynnik rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej.
Przykładowe obrazy graficzne zależności współczynnika β od rezystancji przejścia RF
pokazano na rys.1. Porównując krzywe 1, 2, 3 i 4 łatwo zauważyć, że zmiana każdego
z parametrów sieci wpływa znacząco na ich przebieg. Szczególnie silnie na zmniejszanie wartości β
wpływa wzrost współczynnika tłumienności sieci d0. Tym należy tłumaczyć znane zjawisko
obniżania składowej zerowej napięcia sieci podczas włączania urządzeń AWSCz.
3. ASYMETRIA SIECI
Warunkiem ustalania nastawy zabezpieczenia zerowonapięciowego, nieistotne – czy
stanowi ono samodzielny układ, czy tylko element rozruchowy dla innych kryteriów, jest spełnienie
wymogu odstrojenia go od napięcia wynikającego z asymetrii naturalnej sieci.
W sieci skompensowanej warunek ten określić można zależnością:
U 0 n ( w ) ≥ β ns =
U as ( w )
d 0 + js
(3)
gdzie:
U0n(w) - względna wartość nastawcza kryterium zerowonapięciowego,
Uas(w) -względna wartość napięcia wynikająca z asymetrii doziemnej sieci.
W typowych rozwiązaniach sieci SN wartości względne napięcia asymetrii mieszczą się
najczęściej w zakresie od 0,001 do 0,007 i tylko w sieciach czysto napowietrznych mogą osiągać
poziom 0,01. Przykładowe wartości napięcia Uas przedstawiono w tablicy 1. Wartości te
pomierzono w przeciągu kilku miesięcy 2004 r. w 15 stacjach rozdzielczych sieci SN. W kolumnie
opisanej jako Uas podano zmierzone wartości bezwzględne, w kolumnie Uas(w) – odniesione do
nominalnego napięcia fazowego. W kolumnach oznaczonych „Spodziewane βns...” podano
obliczone wartości napięcia wywołanego asymetrią przy różnych wartościach s. W niektórych
przypadkach, szczególnie przy |s|=0,05, osiągałyby one wartości około 0,1.
Silne oddziaływanie na βns w sieci skompensowanej ma współczynnik rozkompensowania
sieci, stąd wypływa znane ogólne zalecenie, że nie należy stosować kompensacji w pełni dokładnej
(s = 0). Do niedawna uważano, że w celu odstrojenia się od zjawisk związanych z asymetrią sieci,
należy w sieciach skompensowanych stosować nastawy U0n(w) rzędu 0,2, a nawet 0,4 ( w praktyce
przy typowych układach filtru składowej zerowej napięcia, czyli tzw. otwartego trójkąta były to
wartości od 20 do 40V). Znaczące asymetrie napięciowe występują w sieciach z dużym udziałem
linii napowietrznych, natomiast linie kablowe w pewien sposób symetryzują układ admitancji
doziemnych sieci przyczyniając się tym samym do zmniejszenia napięcia asymetrii. W obecnych
skompensowanych sieciach SN wartości współczynnika βns najczęściej nie przekraczają wartości
0,05 i sporadycznie osiągają 0,1. W sieciach mogą wystąpić wzrosty tego współczynnika wywołane
działaniem łączników (niesymetryczne zamykanie zestyków), ale są one krótkotrwałe i rzadko
trwają dłużej niż kilkanaście sekund.
Biorąc pod uwagę powyższe rozważania i spostrzeżenia można uznać, że obecne warunki
pracy skompensowanej sieci SN pozwalają na przyjmowanie nastaw dla zerowonapięciowych
elementów automatyki ziemnozwarciowej na poziomie mniejszym niż dotychczas. Przyjmując
wystarczający zapas nastawy, napięcie U0n(w) może przyjmować wartości zmniejszone do poziomu
0,1 i nie większe niż 0,15.
Tablica1. Wyniki pomiarów i obliczeń napięć asymetrii doziemnej dla wybranych sieci 15kV
Nr
sieci
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Uas w V
Uas(w)
Spodziewane βns przy d0=0,05 oraz
sekcja I
sekcja II
sekcja I
sekcja II
|s|=0,05
sekcja I
sek. II
|s|=0,1
sekcja I
sek. II
|s|=0,2
sekcja I
sek. II
45,03
60,62
17,32
11,26
38,10
27,71
30,31
21,65
31,18
12,99
17,32
22,52
41,57
67,55
50,52
45,90
59,75
29,44
12,99
30,31
26,85
33,77
25,11
27,71
13,86
22,52
28,58
44,17
73,61
52,83
0,0052
0,0070
0,0020
0,0013
0,0044
0,0032
0,0035
0,0025
0,0036
0,0015
0,0020
0,0026
0,0035
0,0078
0,0058
0,0053
0,0069
0,0034
0,0015
0,0035
0,0031
0,0039
0,0029
0,0032
0,0016
0,0021
0,0026
0,0033
0,0085
0,0061
0,0735
0,0990
0,0283
0,0184
0,0622
0,0453
0,0495
0,0354
0,0509
0,0212
0,0283
0,0368
0,0495
0,1103
0,0820
0,0465
0,0626
0,0179
0,0116
0,0394
0,0286
0,0313
0,0224
0,0322
0,0134
0,0179
0,0233
0,0313
0,0698
0,0519
0,0252
0,0340
0,0097
0,0063
0,0213
0,0155
0,0170
0,0121
0,0175
0,0073
0,0097
0,0126
0,0170
0,0378
0,0281
0,0750
0,0976
0,0481
0,0212
0,0495
0,0438
0,0552
0,0410
0,0453
0,0226
0,0297
0,0368
0,0467
0,1202
0,0863
0,0474
0,0617
0,0304
0,0134
0,0313
0,0277
0,0349
0,0259
0,0286
0,0143
0,0188
0,0233
0,0295
0,0760
0,0546
0,0257
0,0335
0,0165
0,0073
0,0170
0,0150
0,0189
0,0141
0,0155
0,0078
0,0102
0,0126
0,0160
0,0412
0,0296
4. ZAKRES WYKRYWANYCH REZYSTANCJI PRZEJŚCIA
Zupełnie oczywisty jest fakt, że wartość współczynnika β podczas zwarć doziemnych zależy
głównie od rezystancji przejścia w miejscu zwarcia, ale również od wielu innych czynników.
Pokazane jest to na rys. 1. Jeśli krzywą 1 uważać za odniesienie, to przy zmniejszeniu ωC,
a innych parametrach niezmiennych, współczynnik β jest większy. Wzrost upływności w różnej
postaci (może to być załączenie rezystora w punkcie neutralnym), czy zwiększenie stopnia
rozstrojenia kompensacji sieci s, objawiają się zmniejszeniem β.
Rys. 1. Zależność współczynnika β od rezystancji
przejścia w miejscu zwarcia dla sieci o następujących
parametrach: 1: ωC=0,01 S, d0= 0,03, s=0,05,
2: ωC=0,01 S, d0= 0,2, s=0,05, 3: ωC=0,01 S, d0= 0,03,
s=0,15, 4: ωC=0,005 S, d0= 0,03, s=0,05
Rys.2. Zależność granicznej rezystancji przejścia RFgr od
upływności sieci przy nastawie U0n(w) =βnast= 0,15 i przy
s=-0,1 dla sieci: 1: ωC=0,005, 2:ωC=0,01, 3: ωC=0,02
Jeśli przyjąć, że zabezpieczenie zerowonapięciowe zostało nastawione na U0n(w) = 0,15, to
zakres wykrywanych rezystancji przejścia RFgr maleje ze wzrostem upływności sieci d0, a to
zmniejszenie jest tym silniejsze, im większa jest pojemność doziemna sieci, co pokazano na rys.2.
Na rys. 3 pokazano zależność RFgr od kompensacji sieci przy takiej samej nastawie. Widać
wyraźnie, że im sieć jest lepiej skompensowana, czyli s 0, to zakres wykrywanych rezystancji
przejścia rośnie.
Na rys. 4 pokazany został zakres wykrywanych rezystancji przejścia dla różnych sieci przy
zmianie nastawy U0n(w) w zakresie od 0,02 do 0,57. Zależność ta jest bardzo silna, bo przy bardzo
małych nastawach możliwe jest dla niektórych sieci wykrywanie zwarć o rezystancji nawet 40 kΩ.
Należy zwrócić jednak uwagę na pewną specyfikę tego wykresu – założenie stałej wartości
d0 dla sieci o różnych wartościach ωC prowadzi do wniosku, że wartość prądu AWSCz jest zależna
od prądu pojemnościowego sieci.
Rys.3. Zależność granicznej rezystancji przejścia RFgr od
stopnia rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej przy
nastawie U0n(w =βnast = 0,15 oraz dla: sieci o d0= 0,05
przy 1- ωC=0,01 S; 2- ωC=0,02 S, 3- ωC=0,005 S
Rys.4. Zależność granicznej rezystancji przejścia
wykrywanej przez zabezpieczenia admitancyjne
nastawy U0n(w) =βnast dla sieci o s=-0,1 oraz:
ωC=0,01 S, d0= 0,05, 2 - ωC=0,005 S, d0= 0,2,
ωC=0,01 S, d0= 0,2, 4 - ωC=0,02 S, d0= 0,2
RFgr
od
1 3 -
Stąd dla bardziej praktycznej interpretacji wykonano dodatkowe krzywe pokazane na rys. 5
i 6. Przedstawiają one wykrywane rezystancje przejścia RFgr dla możliwego w praktyce nastawienia
zabezpieczenia zerowonapięciowego w przedziale od 0,05 do 0,3 (dla przeważającej liczby
zabezpieczeń oznacza to odpowiednio nastawę od 5 do 30 V). Wykresy sporządzono dla trzech
sieci o susceptancji ωC odpowiednio równej 0,01, 0,2 i 0,005 mS. Dla sieci 15 kV odpowiada to
prądom pojemnościowym 86,6, 173,2 oraz 43,3 A. Każda krzywa jest wykonana dla innego
współczynnika upływności sieci, ponieważ przyjęto stałą wartość wymuszanej składowej czynnej
na poziomie 20 A.
Rys.5. Zależność granicznej rezystancji przejścia od
Rys.5. Zależność granicznej rezystancji przejścia od
nastawy zabezpieczenia ziemnozwarciowego dla sieci
o s=0,05 oraz: 1- ωC=0,01, d0=0,23, 2- ωC=0,02,
d0=0,115, 3- ωC=0,005, d0=0,46
nastawy zabezpieczenia ziemnozwarciowego dla sieci
o s=0,2 oraz: 1- ωC=0,01, d0=0,23, 2- ωC=0,02,
d0=0,115, 3- ωC=0,005, d0=0,46
Przy współczynniku rozstrojenia |s|=0,05 (niezależnie od tego, czy sieć jest
przekompensowana czy niedokompensowana) wartość granicznej rezystancji przejścia w praktyce
nie zależy od prądu pojemnościowego sieci, a tylko od nastawy zabezpieczenia
zerowonapięciowego. W badanym zakresie βnast waha się od około 1 do aż 8 kΩ.
Przy współczynniku rozkompesowania |s|=0,2 wartość granicznej rezystancji przejścia
zależy w pewnym stopniu od prądu pojemnościowego, ale znacznie większy wpływ ma nastawa
zabezpieczenia zerowonapięciowego. W badanym zakresie βnast waha się od około 1 do 4 – 8 kΩ.
W Polsce obecnie używa się nastaw w pobliżu 0,15 – 0,25, co wg autorów jest w większości
przypadków nadmierną ostrożnością wobec spodziewanych wartości napięcia w obwodach
składowej zerowej pochodzącego od asymetrii sieci.
Wykonywane pomiary tego napięcia w wielu sieciach wykazywały w ostatnim czasie
wartości w zakresie 1 – 5 V, ale w pojedynczych przypadkach sięgały one wartości większych,
nawet 12 V. Były to jednak sytuacje wyjątkowe i najczęściej spowodowane nietypowymi
sytuacjami technicznymi.
Przed wprowadzeniem nastaw można dokonywać kontroli wartości tego napięcia, co
w sytuacjach kiedy rozdzielnie są wyposażone terminale polowe, jest nadzwyczaj proste.
Szczególnie w sieciach, gdzie kompensacja jest prawidłowo prowadzona, czyli istnieje
przekompensowanie w granicach 5-15 %, nie ma niebezpieczeństwa wzrostu napięcia wywołanego
asymetrią doziemną. Pewien problem może być w stacjach wyposażonych w kompensację
automatyczną – płynną, ponieważ podczas działania regulatora może pojawić się wartość
maksymalna (rezonansowa) napięcia.
5. WNIOSKI
1. Współczynnik β, a więc także wartość składowej zerowej napięcia, podczas zwarcia doziemnego
w sieci skompensowanej zależy od szeregu parametrów sieci, a bardzo silnie od wartości
rezystancji przejścia. Z parametrów sieci mocno oddziałują współczynniki tłumienności d0
i rozstrojenia kompensacji ziemnozwarciowej s.
2. Nastawa zabezpieczeń zerowonapięciowych musi zapewniać odstrojenie od napięcia
pojawiającego się w obwodach składowej zerowej napięcia wywołanego asymetrią doziemną sieci.
Wartość tego napięcia we współczesnych sieciach tylko wyjątkowo przekracza 5 V.
3. Zmniejszając nastawę kryteriów zerowonapięciowych używanych w autonomicznych
zabezpieczeniach działających na sygnalizację doziemienia oraz jako elementy rozruchowe dla
wielokryterialnych zabezpieczeń ziemnozwarciowych zwiększa się zakres wykrywanych
rezystancji przejścia, co wobec zwiększającej się szczególnie w okresach letnich rezystywności
gruntów zwiększa bezpieczeństwo w liniach napowietrznych.
4. Autorzy zalecają w praktyce zmniejszanie nastawy zerowonapięciowej do 0,1 (w jednostkach
względnych), a nawet 0,06-0,08, co w praktyce odpowiada nastawom 10, 6 i 8 V.
LITERATURA
[1] Lorenc J.: Admitancyjne zabezpieczenia ziemnozwarciowe. Monografia wydana pod patronatem Komitetu
Elektrotechniki PAN. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, listopad 2007 r.
[2] PN-E-05115: Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV.